一种超低相位噪声频率合成器

1.本发明涉及频率合成技术领域，具体涉及一种超低相位噪声频率合成器。


背景技术：

2.随着无线电子类产品的快速发展，频谱资源愈发珍贵，电子产品不仅需要向高频段拓展，而且还要求更高精度的频率信号。频率综合器作为电子系统的频率源，几乎出现在所有电子产品中，例如测试测量仪器、射频收发机、无线局域网(wireless local area network, wlan)与第五代移动通信技术(5th-generation, 5g)等新兴通信系统、雷达、医疗设备等，频率综合器的性能优劣直接影响电子设备的性能指标。
3.频率源作为当代所有电子系统的基本信号来源，一直被誉为现代电子系统的“心脏”。电子系统的性能指标某种程度上由频率源的性能指标决定。相位噪声对接收机的信噪比和选择性有着较大的影响，同时高相位噪声的本振也会增加接收机、发射机中其他器件的设计难度。
4.随着技术不断提高，对电路系统要求必须低相位噪声，在现代技术中，相位噪声已成为限制电路系统的主要因素。低相噪对提高电路系统性能起到重要作用。
5.目前主要有三种频率合成技术，分别为直接频率合成、直接数字频率合成以及锁相环技术。直接频率合成虽然相位噪声较低，但是实现难度较大，成本高；直接数字合成相位噪声特性较好，但会有杂散问题；基于锁相环技术的频率合成技术虽然方案较为简单，成本较低，但是其相位噪声特性较差。


技术实现要素：

6.本发明利用多路非相关信号组合的相位噪声呈线性叠加的原理，通过窄带晶振锁相环先获得两路非相关信号，并将这些信号进行有效的合成，能获得较常规锁相环技术10log（n）的相位噪声提升，其中n为不相关的信号路数。
7.为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种超低相位噪声频率合成器，包括恒温晶振，用于产生参考信号，参考信号通过功分器分别连接两路相同的链路。所述参考信号晶振连接晶振锁相环，为晶振锁相环提供参考信号，晶振锁相环将对10mhz参考信号进行锁相，输出频率100mhz信号。实现将两路信号相位噪声非相关，晶振锁相环输出端连接5.8ghzpdro输入端，pdro用于对100mhz信号进行锁相，输出5.8ghz信号，5.8ghzpdro输出端接电调移相器，用于实现对输出信号初始相位的调整，电调移相器输出端连接电调衰减器，用于实现输出信号功率大小的调整，电调衰减器输出端接入一个放大器，用于实现补足输出信号的功率大小。两路信号经过合路器后输出最终信号。本发明的方案利用非相关相噪叠加原理，叠加后合路输出实现相位噪声优化。
8.进一步地，所述低相位噪声基准源为恒温晶体振荡器，且其频率等于10mhz。所述晶振锁相环为超窄带晶振锁相环，单路中用于将10mhz参考信号锁相为100mhz信号，并且使两路信号相位噪声非相关。
9.进一步地，所述5.8ghzpdro为定制低相位噪声取样锁相介质振荡器。
10.进一步地，所述的所有供电芯片均为低压差线性稳压器，以降低电源对链路相位噪声的影响。
11.本发明的低相位噪声合成器采用了非相关相位噪声叠加原理，硬件上使用了超窄带晶振锁相环，采用了窄带锁相技术来实现多路的非相关频率信号。相较于现有技术的20*log（n）的倍数恶化，利用非相关相噪叠加原理的输出信号相噪的恶化是按照10*log（n）的倍数恶化的，也就是使用了非相关相位噪声叠加原理后相位噪声可以获得10*log（n）的相噪改善。
附图说明
12.图1为本发明的超低相位噪声频率合成器结构框图。
13.图2为本发明的频率合成器的主要组成部分晶振锁相环的原理框图。
14.图3为本发明的频率合成器晶振锁相环的rc环路滤波器电路原理图。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：本发明所使用的取样锁相频率源(pdro)则是用晶振参考信号产生一同频率的尖脉冲信号，与输入信号进行比较并输出误差信号。当振荡器输出频率与参考信号的n次谐波频率相同时，经环路滤波器滤波后的误差信号为一稳定的直流电压，此时振荡器频率被稳定在5.8ghz。该方案具有功耗低、体积小和相位噪声特性优的特点。
16.结合图1~图3，一种超低相位噪声频率合成器，利用非相关相噪叠加原理，叠加后实现相位噪声优化，包括依次连接的一个功分器、一个合路器，以及两路并联在功分器和合路器之间的晶振锁相环链路。
17.通过恒温晶振产生参考信号，参考信号通过功分器分别连接到两路相同的晶振锁相环链路；所述晶振锁相环链路包括依次设置的晶振锁相环、5.8ghzpdro、电调移相器、电调衰减器和放大器。
18.所述参考信号分别进入晶振锁相环链路的输入端，为晶振锁相环提供参考信号，晶振锁相环将10mhz信号转换为100mhz信号，实现将两路信号相位噪声非相关，晶振锁相环输出端连接5.8ghzpdro输入端，5.8ghz pdro用于对100mhz信号进行锁相，输出5.8ghz信号，5.8ghzpdro输出端接电调移相器，由于硬件的不一致性，两路信号的初始相位相差较大，运用电路中的移相器，将两路信号相位调整一致，电调移相器输出端连接电调衰减器，用于实现输出信号功率大小的调整，电调衰减器输出端接入一个放大器，用于实现补足输出信号的功率大小；两路信号经过合路器后输出最终信号。
19.所述晶振锁相环为超窄带晶振锁相环，其环路滤波器设计为rc三阶无源滤波器，c1为220nf，r1为15ω，c2为3.3uf，r2为30ω，c3为100nf。
20.所述5.8ghzpdro为输出5.8ghz信号的低相位噪声取样锁相介质振荡器。
21.本发明采用了多路非相关信号组合的相位噪声呈线性叠加的原理，主要是通过利用超窄带晶振锁相环获得两路非相关的信号，使其相位噪声非相关，晶振锁相环输出信号作为5.8ghz低相位噪声取样锁相介质振荡器的参考信号，pdro输出5.8ghz信号后，通过合
路器进行频率组合，因为此时两路信号已是非相关信号，理论上能获得较常规锁相环技术10*log（2）=3db的相位噪声改善。
22.此外，随着路数的增加，相位噪声也会有10*log（n）的改善，n为非相关信号的路数，例如，当合路数为4或者8时，理论上相位噪声会有6db和9db的提升。


技术特征：
1.一种超低相位噪声频率合成器，其特征在于：利用非相关相噪叠加原理，叠加后实现相位噪声优化，包括依次连接的一个功分器、一个合路器，以及两路并联在功分器和合路器之间的晶振锁相环链路；通过恒温晶振产生参考信号，参考信号通过功分器分别连接到两路相同的晶振锁相环链路；所述晶振锁相环链路包括依次设置的晶振锁相环、5.8ghzpdro、电调移相器、电调衰减器和放大器；所述参考信号分别进入晶振锁相环链路的输入端，为晶振锁相环提供参考信号，晶振锁相环将10mhz信号转换为100mhz信号，实现将两路信号相位噪声非相关，晶振锁相环输出端连接5.8ghzpdro输入端，5.8ghz pdro用于对100mhz信号进行锁相，输出5.8ghz信号，5.8ghzpdro输出端接电调移相器，由于硬件的不一致性，两路信号的初始相位相差较大，运用电路中的移相器，将两路信号相位调整一致，电调移相器输出端连接电调衰减器，用于实现输出信号功率大小的调整，电调衰减器输出端接入一个放大器，用于实现补足输出信号的功率大小；两路信号经过合路器后输出最终信号。2.如权利要求1所述的超低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述晶振锁相环为超窄带晶振锁相环。3.如权利要求2所述的超低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述窄带晶振锁相环的环路滤波器采用了超窄带rc三阶低通滤波器。4.如权利要求1所述的超低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述5.8ghzpdro为低相位噪声取样锁相介质振荡器。5.如权利要求1所述的超低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述电调移相器使用带宽为5-18ghz，相移大于400
°
，采用单正电压控制，采用芯片hmc247。6.如权利要求1所述的超低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述电调衰减器带宽为dc-8ghz，超低相移以及32db衰减范围，采用芯片hmc346ams8ge，2-18ghz的平方律检波器。

技术总结
本发明公开了一种超低相位噪声频率合成器，其加入了超窄带晶振锁相环，使两路信号相位噪声非相关，叠加后实现相位噪声优化，主要由10MHz恒温晶振，功分器，10MHz-100MHz超窄带晶振锁相环、5.8GHz低相位噪声取样锁相介质振荡器（PDRO）、电调移相器、电调衰减器、放大器和合路器组成。两路信号经过合路器后输出最终信号。本发明的方案利用非相关相噪叠加原理，使两路信号相位噪声非相关，并利用DRO的低相位噪声进行合路输出，能够有效改善相位噪声，电路结构简单，易于实现。易于实现。易于实现。


技术研发人员：廖恺 方杰 孙琳琳
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8